Abstract: Analiza starii tehnice a utilajelor prin intermediul vibratiilor mecanice conduce la reducerea costurilor legate de intretinerea si reparatia acestora dar si la cele legate de stationarea ansamblurilor, prin productiile neralizate, atunci cand acestea fac parte dintr-un sistem. De asemenea identificarea si localizarea defectiunilor prin vibrodiagnoza conduce la eliminarea operatiunilor inutile de demontare si verifocare a componentelor, cu efecte de asemenea benefice in directia reducerii costurilor.

In directia celor de mai sus, prin prezenta lucrare se vor prezenta si evidentia modul de manifestare si de identificare a unor defectiuni de natura electrica la motoarele de curent continuu in spectre de vibratii mecanice.

1. Consideratii tehnice

Motoarele de curent continuu au un domeniu larg de aplicare  in transporturi si in industrie si cu precadere in industria celulozei si hartiei. Aceste aplicatii au fost impuse de avantajele pe care le ofera aceste motoare fata de cele in curent alternativ: o caracteristica mecanica rigida, reglarea facila a turatiei in conditiile mentinerii unor randamente de transformare a energiei la cote ridicate, capacitate de suprasarcina buna etc.

Ca orice utilaj dinamic si aceste motoare pot fi diagnosticate prin intermediul analizei vibratiilor – prin vibrodiagnoza. Daca literatura de specialitate prezinta informatii consistente privind modul de identificare a defectuinilor de natura mecanica la aceste tipuri de motoare(slabiri mecanice pe arbori, slabiri mecanice in lagare, slabiri mecanice in fixarea motoarelor pe postamente, nealinieri intre motoare si utilajele antrenate, dezeclibre de natura mecanica ale rotorului, etc) aceasta nu este generoasa cu informatii privind modul de diagnosticare a defectiunilor de natura electrica, anumite domenii lipsind cu desavarsire. In aceasta directie se vor prezenta informatii verificate experimental, prin care pot fi diagnosticate cu usurinta o gama variata de defectiuni de natura electrica ale motoarelor dar si defectiuni in sistemele de alimentare si comanda ale acestora. Autorii au avut in vedere, pe parcursul analizelor si clasificarii acestor defecte, stransa legatura intre efectele produse de campurile electromagnetice asupra componentelor magnetice ale motoarelor precum si rezultatele interactiunilor dintre acestea dupa conceptul de analiza cauze-efecte.

Ca metode de analiza a spectrelor de vibratii sunt intalnite si au fost utilizate 4 metode principale:

• analiza prin monitorizarea valorilor mediate ale amplitudinilor vibratiilor – ofera indicii asupra producerii unei defectiuni fara a o localiza;
• analiza variatiei temporale a niveleor de vibratii – ofera informatii estimative asupra defectelor si a cauzelor acestora;
• analiza transformatelor simple Fourier – ofera informatii precise asupra cauzelor producerii defectiunilor, mai cu seama la defectiunile care induc oscilatii repetitive;
• analiza transformatelor simple Fourier a unui semnal de vibratie filtrat si demodulat pentru tipurile de defectiuni care au manifestari in vibratii prin spectre stohastice.

Este important de mentionat faptul ca odata cu declansarea unui anumit tip de defectiune de natura electrica pot sa apara si alte defectiuni, de natura mecanica, ca o consecinta a primei ducand la o functionare anormala a motorului si in consecinta a utilajului actionat. Din aceasta cauza in spectrele de vibratii colectate in timpul functionarii motorului pot apare mai multe tipuri de defectiuni manifestate pe diferite frecvente care in timpul analizei sunt identificate dandu-ne indicii despre cauza si locul defectiunii. De asemenea se mai aminteste ca defectiunile de natura electrica sunt mai dificil de identificat fata de cele de natura mecanica, acestea necesitand profesionalism din partea personalului de intretinere si tehnica specializata.

Pentru colectarea spectrelor de vibratii ale motoarelor electrice de curent copntinuu s-a utilizat un colector-analizor produs de firma SKF tip MICROLOG CMVA 60 - Fig.1. - care prin intermediul unor traductori magnetici portativi (se utilizeaza o gama larga de traductori in functie de parametrii care se doresc masurati) masoara, colecteaza si memoreaza in mod automat sau cu interventia operatorului spectrele de vibratii ale utilajelor si permite o analiza intr-o maniera aprofundata a acestora in mediul industrial ostil. El este capabil de a afisa pe un ecran (LCD) spectrele de frecventa FFT (Tansformata Fourier Rapida) precum si semnale temporale.

Parametrii vibratiilor care sunt colectate de la utilajele sunt: viteza (FFT), acceleratie(FFT si variatie temporala), acceleratie cu filtre 50-1000Hz, 500-10000Hz cu demodularea semnalului, parametrul obtinut fiind numita de literatura de specialitate „enveloping”.

Dupa colectarea si stocarea spectrelor de catre colectorul-analizor CMVA 60, acestea sunt transferate intr-o unitate de calcul unde cu ajutorul softului PRISM4, destinat monitorizarii si analizei fenomenelor ondulatorii si vibratorii, care insotesc functionarea utilajului, sunt analizate si se diagnosticheaza starea tehnica a utilajului.

Pe baza considerentelor anterioare se vor prezenta patru tipuri de defectiuni de natura electrica identificate si clasificate pentru motoarele de curent continuu.

Analiza spectrelor de vibratii debuteaza cu analiza parametrului acceleratie deoarece colectarea datelor se face cu accelerometre, acesta fiind primul parametru masurat, ceilalti fiind calculati pe baza acceleratiei.

Cazul 1.

Defectiunile in sistemul de comutatie al motorului au ca efect introducerea de vibratii specifice in intreg sistemul. Prima defectiune are in vedere o pozitionare incorecta a platoului port-perii fata de axa neutra a motorului. Aceasta se manifesta prin aparitia scanteilor sau chiar a unui cerc de foc la contactul dintre perii si colector care provoaca o supraincalzirea si colorare in brun inchis a colectorului. Astfel acestea induc in elementele magnetice ale motorului efecte care se manifesta la valori ridicate ale frecventei(in domeniul frecventei de comutatie a colectorului). In figura 2 este reprezentat spectrul de vibratie asociat unei astfel de defectiuni. Motorul electric de la care s-a prelevat spectrul de vibratii este unul cu o putere de 75kW si Un=440 V. Motorul electric are turatia de 882 rot/min si frecventa fundamentala asociata acesteia de 14,7 Hz. Motorul electric are un colector format din 36 de lamele si un platou cu doua perechi de perii. Frecventa de comutatie este produsul dintre frecventa fundamentala si numarul de lamele ale colectorului, raportata la numarul de perechi de perii de pe platoul portperii. In cazul de fata un calcul matematic simplu indica o freventa de comutatie situata in domeniul frecventei de 265Hz. Acest tip de defectiune se manifesta in spectru de vibratii (acceleratie FFT) prin cresterea amplitudinii in domeniul frecventei de comutatie la valori ridicate(fig.2), dominate fata de oricara alta amplitudine a spectrului, si aparitia benzilor laterale acesteia la cote de peste 25% din amplitudinea fundamentalei. Se mentioneaza ca la o functionare in cote normale armonicile nu depasesc 10 – 15 % din amplitudinea frecventei de comutatie. De asemenea in zonele adiacente frecventelor de comutatie nu se regasesc benzi spectrale, la o functionare normala, acestea situandu-se numai in zona comutatie, crescand usor pana la valoarea acesteai apoi scazind, numarul de benzi spectrale laterale fiind de 4 – 5 benzi de fiecare parte a dominatei(fundamentalei).

Cazul 2.

Din aceeasi categorie a defectiunilor legate de comutatie la motoarele de curent continuu, este prezentat in figura 3 spectrul specific al unui motor electric la care colectorul este colmatat cu prfa de grafit rezultat din frecarea dintre perii si lamelele colectorului. Motorul electric de la care s-a prelevat spectrul este identic cu cel prezentat in cazul anterior cu aceasi parametri functionali si constructivi.

Acest tip de defectiune se manifesta in spectru de vibratii (acceleratie FFT) prin aparitia de subarmonici ale fundamentalei frecventei de comutatie, fc cu valori 1/3*fc, 2/3*fc, fc. De asemenea in spectrul de vibratii se identifica si spectre laterale ale frecventei de comutatie dar repartizate mai centrat fata de aceasta precum si benzi laterale de ambele parti ale frecventei de comutatie cu amplitudini crescute. Cauza aparitiei acestora este tocmai valoarea crescuta a curentului prin rotor ca urmare a colmatarii canalelor colectorului dar si inrautatirea contactului dintre perii si colector ca urmare a depunerii de paricule de grafit si ai oxizilor de cupru intre acestia.

Cazul 3.

Si defectiunile din categoria contactelor imperfecte dintre perii si colectaorele motoarelor de curent continuu pot fi identificate si diagnosticate prin intermediul spectrelor de vibratii. Astfel in figura 4 este reprezentat spectrul de vibratii in acceleratie – FFT – pentru un motor de curent continuu, de acelasi tip ca cele prezentate anterior, care prezinta contacte imperfecte intre perii si colector. Recunoasterea acestui tip de defect din spectrul de vibratii se face in domeniul armonicilor superioare frecventei de comutatie. De aceea domeniul de colectare a spectrelor de vibratii a fost extins pentru acest caz la 800Hz, fata de cazurile anterioare cand era situat la valorile de 400 – 500 Hz. Aceasta defectiune se manifesta prin aparitia armonicilor suplimentare in spectrele de vibratii, ale frecventei de comutatie pana la 3 – 4 * fc si fara benzi laterale semnificative ale acesteia. Armonicile suplimentare au valori apropiate de frecventa de comutatie, nivelul acestora scazand cu cresterea a multiplilor acesteia. Se mentioneaza ca in figura 4. nu este evidentiata decat armonica a 2-a, domeniul aceasta oferind suficiente informatii privind cauza defectiunilor.

Cazul 4.

O alta categorie de defectiuni care poate fi identificata si diagnosticata prin aceasta metoda este legata de neconformitatile tensiunii de alimentare ale motoarelor de curent continuu. Astfel, datorita faptului ca la actionarile reglabile, motoarele de curent continuu sunt alimentate de la redresoare comandate sau de la covertoare curent curent continuu - curent continuu, pot apare defectiuni la aceste echipamente care afecteaza buna functionate a motorului. In acest caz cea mai intalnita situatie este alimentarea motoarelor cu tensiune neconform datorita nesincronizarii perioadelor relative de conductie ale dispozitivelor comandate din redresoare sau convertoare.

In spectrul reprezentat in figura 5 acest tip de defectiune se manifesta prin aparitia fundamentalei frecventei de alimentare(50Hz) precum si al armonicilor acesteia(pana la a 10-a armonica), cu mentiunea ca una din armonicile 2, 3 sau 6 sunt mai mari in amplitudine decat fundamentala retelei, particularritate care este legata de modul de redresare a tensiunii. Motorul este de acelasi tip ca cele prezentate anterior iar acesta mai prezinta o defectiune, manifestata prin armonici superioare ale fundamentalei frecventei de rotatie, cauzata de o usoara slabire in lagare (joc intre ax si rulment sau rulment si scut) prin aparitia frecventei de rotatie 15Hz (900 rpm) si multiplii acesteia.

3. Avantajele vibrodiagnozei motoarelor de curent continuu

Diagnosticarea prin aceasta metoda a defectiunilor motoarelor de curent continuu prezinta avantajele:

• Planificarea reparatiilor cu evitarea opririlor acidentale a utilajelor;
• Reducerea costurilor de intretinere si reparatie a motoarelor;
• Cresterea duratei de viata si fiabilitatii acestora;
• Reducerea costurilor produselor finite ale firmei.

Referinte
1.     Constantin Bala, Electrical Machines, EDP, Bucharest, 1982.
2.     SKF Reliability Systems, San Diego 2002 – Condition Monitoring Ins.
3.     PRISM4 for Windows - Quick Start Manual, San Diego 2000 – Condition Monitoring Ins.
4.     http://www.dliengieneering.com/vibman
5.     Banarie Cristian, Dima Dorian, Vibrating diagnosis of the mechanical loosening on axles.B.I.P.Iasi, Tomul L(LIV), Fasc.Vb, 2004.